虛擬技術在醫(yī)學訓練中的作用范文

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1VR在醫(yī)學手術仿真訓練中的意義

虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學上的應用起源于醫(yī)務人員對復雜的三維醫(yī)學解剖體數(shù)據(jù)的可視化需求,進而發(fā)展到能對可視化的數(shù)據(jù)進行實時操作,從而建立可供手術和手術前規(guī)劃使用的虛擬環(huán)境。在醫(yī)學手術教學和仿真訓練等方面,虛擬現(xiàn)實技術有著不可替代的和令人鼓舞的應用前景。運用該技術可以使醫(yī)務工作者沉浸于虛擬的場景內(nèi),體驗并學習如何應付各種臨床手術的實際情況,可以通過視、聽、觸覺感知并學習各種手術實際操作。這樣大大的節(jié)約了培訓醫(yī)務人員的費用和時間,使非熟練人員實習手術的風險性大大降低,并利用專家學者的手術經(jīng)驗和實例對年輕醫(yī)生特別是小醫(yī)院、邊遠地區(qū)醫(yī)院的醫(yī)生進行培訓,這對提高醫(yī)學教育與訓練的效率和質(zhì)量以及改善我國醫(yī)學手術水平發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀有著非常重大的意義。

2國內(nèi)外的現(xiàn)狀及分析

目前與醫(yī)學相關的虛擬現(xiàn)實應用主要包括:手術、內(nèi)窺鏡檢查和放射外科等。其中,虛擬醫(yī)學手術仿真訓練是一種技術難度較大的應用。與其它虛擬現(xiàn)實應用相比,它的特點是:①虛擬場景復雜;需要產(chǎn)生多層次、多種形態(tài)、相聯(lián)關系復雜的三維虛擬人體組織;②人機交互性強,要求定位和反饋精確度高。當前,國外已經(jīng)有許多研究機構和商業(yè)公司對醫(yī)學虛擬現(xiàn)實尤其是在虛擬醫(yī)學手術仿真訓練等方面都進行了一定的研究和實踐。如美國達特茅斯醫(yī)學院開發(fā)的“交互式多媒體虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”。對于手術訓練方面處于較前沿的是美國波士頓力學研究中心,他們采用的方式是利用偏振眼鏡觀看場景、虛擬手術器械模擬操作,另外還有加利福尼亞的舊金山大學外科系與伯克利學院的電子工程與計算機科學系對虛擬腹腔手術的研究等項目。在國內(nèi),大部分的研究工作集中在對醫(yī)學圖像的三維重建及其可視化等基礎技術方面,清華大學和浙江大學等院校及研究單位在基于計算機圖形學的醫(yī)學圖像三維可視化算法研究領域也取得了較大的成果。

3當前虛擬醫(yī)學手術仿真訓練的技術難點

隨著計算機技術、傳感器技術的飛速發(fā)展,虛擬醫(yī)學手術仿真訓練的研究在模型實時顯示、器官組織紋理的制作、碰撞檢測與定位和觸覺傳感等方面已經(jīng)取得了一定的進展,并已有個別的成型系統(tǒng)研制成功,但當前虛擬醫(yī)學手術仿真訓練的研究還需解決如下技術難點:①仿真的逼真性較低,主要原因是虛擬人體組織的精確解剖結構和實時顯示算法仍有待改進;②虛擬組織的各種行為模型(如實時形變等)的建立還不夠完善和真實;③多通道感覺的缺乏,目前研究大多集中于視覺虛擬,對其他感覺通道如聽覺、觸覺等較為缺乏,而在醫(yī)學手術中力的反饋是非常重要的;④多種不同來源的三維醫(yī)學影像數(shù)據(jù)的融合和復雜模型的LOD模型優(yōu)化等技術尚有待發(fā)展;⑤由于西方人種與黃色人種在生理結構上有一定的差異,國外人體模型并不能完全適應我國的需要。因此,目前還沒有適合于我國虛擬手術用的人體模型。

4虛擬醫(yī)學手術仿真訓練的技術實現(xiàn)

4.1醫(yī)學圖像三維重建

4.1.1醫(yī)學圖像可視化對醫(yī)學圖像的三維重建主要是為了實現(xiàn)醫(yī)學圖像可視化。這屬于科學計算可視化的研究范疇,在該領域被稱為三維標量數(shù)據(jù)場可視化技術。它是虛擬手術技術的實現(xiàn)基礎。目前,三維標量數(shù)據(jù)場可視化技術主要分為兩類:一類是通過抽取中間面的表面繪制技術;一類是基于體元的體繪制技術。

4•1•1•1通過抽取中間面的表面繪制技術主要包括:基于二維輪廓線的斷層掃描線表面重構和基于單元網(wǎng)格結構的等值面抽取等。

4•1•1•2基于體元的體繪制技術體繪制技術直接基于體元繪制,能顯示對象體豐富的內(nèi)部細節(jié)。目前實現(xiàn)數(shù)據(jù)場體繪制主要有兩種策略:直接對三維離散數(shù)據(jù)場作體繪制;從三維離散數(shù)據(jù)場重構出連續(xù)數(shù)據(jù)場,再對連續(xù)數(shù)據(jù)場進行重采樣并繪制圖像。

4.1.2醫(yī)學圖像分段為了獲得局部的人體組織器官模型,需要將感興趣的區(qū)域從醫(yī)學圖像中分離出來,人們對醫(yī)學圖像的分段技術進行了研究。

4•1•2•1二維圖像的輪廓線技術三維重建的數(shù)據(jù)源通常是一組一定間隔掃描獲得的二維圖像(如CT圖片),將每張圖片上相同組織的輪廓提取出來,然后將產(chǎn)生的圖片堆疊起來構成三維二進制圖像。最后再采用可視化技術進行三維重建,從而獲得感興趣的組織器官的模型。

4•1•2•2體數(shù)據(jù)的分段對于體數(shù)據(jù)的分段,有一個簡單的技術是采用閾值方法,只有光強大于該閾值的像素點才被顯示。而另外一個更通用的方法是采用圖像處理中的邊緣檢測技術(如卷積等)或綜合對數(shù)據(jù)集進行過濾處理,以獲得所需的分段閾值。

4.2虛擬人體組織器官的物理建模

4.2.1自由體變形方法(FFD)1986年,人們提出了自由體變形方法,該方法的思想是通過變形物體所在的空間而實現(xiàn)物體的變形。其第一步是計算物體頂點在格子中的位置,然后格子在控制點的運動下產(chǎn)生形變。但FFD不能模擬局部的變形。

4.2.2基于物理學的變形模型(physicallybaseddeformation)體現(xiàn)物體在內(nèi)外力的作用下產(chǎn)生形狀上的變化。其中,外力包括重力、碰撞產(chǎn)生的排斥力等;內(nèi)力包括彈性力和非彈性力。

4.3虛擬手術器械與虛擬組織器官的碰撞檢測和力反饋手術操作是非常精細的工作,要求較為精確的力反饋。在虛擬手術過程中,碰撞檢測是力反饋、組織變形的前提,因此是非常重要的。而基于bbox的算法由于其計算量小、實時性高的特點,被虛擬現(xiàn)實領域廣泛采用。在虛擬手術操作中,可根據(jù)力學的彈性方程用計算機軟件來實現(xiàn)對虛擬手術器械的機電部分的控制,再反饋在虛擬手術器械上。由于人體的手部的觸覺非常敏感所以對于力反饋中的定位精度和曲線力覺變化均有較高的技術要求。需要定位精確的手術傳感器械和比較復雜的彈性模型。

5虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學手術仿真訓練中的應用虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學手術仿真訓練領域有著廣泛的應用前景,其具體應用主要有以下幾個方面。

5.1人體解剖結構教學通過虛擬現(xiàn)實技術建立起人體結構模型,可以使學生通過人機交互對人體模型進行瀏覽,在模型內(nèi)部“漫游”,能讓學生非常直觀、輕松學習解剖結構。

5.2醫(yī)療手術方案和治療效果預測對于病灶,可以在虛擬模型上進行方位的顯示,依據(jù)其方位和虛擬系統(tǒng)中的專家?guī)熨Y料,制定手術和治療的方案,或模擬治療的結果,進行評判。

5.3虛擬手術操作教學虛擬手術操作教學是虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學手術仿真訓練中最重要的應用。運用該技術可以使醫(yī)務工作者沉浸于虛擬的場景內(nèi),通過視、聽、觸覺感知等多種感官了解和學習各種手術實際操作,對于年輕醫(yī)生而言,可以經(jīng)過在計算機上進行多次的手術仿真訓練,再上真正的手術臺,這樣大大的節(jié)約了培訓醫(yī)務人員的費用和時間。由于虛擬手術仿真訓練系統(tǒng)具有低代價、零風險、多重復性、自動指導的優(yōu)點,可以迅速高效的提高學習者的手術及其他操作的技能。我單位通過分析、論證,并根據(jù)現(xiàn)代化醫(yī)學教育、訓練的需要,現(xiàn)正在進行“虛擬鼻腔鏡手術仿真訓練系統(tǒng)”的課題研究工作。我們通過對臨床手術實際情況的分析,結合我院手術的豐富經(jīng)驗,采用了冰凍切片的二維圖像輪廓提取的數(shù)據(jù)分段方法進行器官的三維重建、建立虛擬人體模型(包括行為模型),利用筆桿式力反饋器模擬手術窺鏡和手術刀的運動、觸覺,產(chǎn)生一個六自由度的力量感知空間,當手術刀自由運動時,操作者可以感覺到手術刀在皮膚上操作產(chǎn)生的高頻力量成分,這樣可以很好的模擬出手術器械的較小的慣性和摩擦力,解決了仿真手術中最難解決的切割力和摩擦力的問題。用這種方法創(chuàng)建的虛擬鼻腔鏡手術仿真訓練系統(tǒng),可以較真實的虛擬出一個“手術環(huán)境”,使手術學習者體驗并學習如何應付各種情況,這樣可以節(jié)約大量的訓練費用,如尸體解剖費、實習費等,并降低了手術風險。

總之,通過對虛擬醫(yī)學手術仿真訓練的研究與應用,將使虛擬現(xiàn)實技術逐步在醫(yī)院和高等醫(yī)科院校的教學和訓練中應用推廣,并向更多更復雜的典型外科手術和其他領域擴展,如:遠程手術、合作治療、戰(zhàn)場救護等。該項技術具有廣闊的發(fā)展和應用前景,并將為提高我國醫(yī)學手術規(guī)模和醫(yī)療水平作出重大的貢獻。